透明防護陶瓷的研究進展

中圖分類號：TB34 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250114

ResearchProgressofTransparentProtective Ceramics

QiDan， Zhao Mengjie， Fang Cheng，Wang Yanming （NationalKeyLaboratoryofAdvancedVehicle IntegrationandControl，Changchun130013）

Abstract：Thispaper first introduces thefactors that affect the optical properties of transparent ceramics and the protectivemechanism of transparent ceramics.Aiming at the application needsof transparent ceramics in the protection field，theresearchstatusof four transparentprotectivematerials，namelyMagnesiumAluminum Spinel （MgAl₂O₄） ，Aluminum Oxynitride （AlON），Ytrium Aluminum Garnet（YAG），andsapphiresinglecrystal，is systematicallysummarized.Finally，existing challngesintheapplicationof transparentceramicsforprotectionare analyzed，and the associated problems along with future development directions are discussed.

Keywords： Transparent protective ceramics，Optical performance，Protective performan

1前言

透明防護材料是指在不被穿透的前提下能有效抵御子彈或爆炸碎片等侵徹威脅，并具有一定透明度的材料，是最重要的人員防護材料之一，廣泛應用于車輛防護、艦船防護等軍事領域[-3]。傳統的透明防護材料一般為多層玻璃的復合結構，防護性能較差，需要通過增加層數來抵御大口徑子彈的攻擊，從而導致裝備的機動性能和光學性能下降[4-6。因此，研制面密度更低、防護性能更好的新型透明防護材料對提高裝備機動性和作戰能力至關重要。

為滿足現代武器裝備的要求，兼具高透光性、高防護能力和低面密度優勢的透明陶瓷迅速發展，有望替代防護玻璃成為新一代透明防護的迎彈面材料。透明陶瓷是指能夠透過特定波段的光線并且能夠清晰成像的無機多晶材料[8。透明陶瓷在可見光和紅外光譜范圍內具有高光學透過率，同時還擁有陶瓷材料的高強度、高硬度等特性，使其在軍事裝備領域具有廣闊的應用前景。目前可用于透明防護材料的透明陶瓷有鎂鋁尖晶石 ）、氮氧化鋁（AION）及釔鋁石榴石（YAG）。采用透明陶瓷作為透明防護材料的迎彈面，可較傳統防護玻璃降低約 50% 的厚度，對我國軍用裝備輕量化以及作戰效能的提升具有重要意義。

本文針對透明陶瓷在防護領域的應用需求，重點介紹透明陶瓷光學性能的關鍵影響因素以及防護機理，系統總結鎂鋁尖晶石（ 、氮氧化鋁（AION）、釔鋁石榴石（YAG）和藍寶石單晶4種透明防護材料的研究現狀，最后分析透明陶瓷在防護領域的應用中存在的問題，以期為新型透明防護材料的研究與應用提供參考。

2影響光學性能的因素

2.1透明陶瓷的透光機理

陶瓷通常是通過粉末燒結工藝得到的無機多晶體材料，內部包含晶粒、晶界、氣孔和第二相等微觀結構。普通陶瓷內部的氣孔、晶界及第二相會導致光入射陶瓷內部時發生散射和折射，造成光學損失。此外，內部介質對光的吸收也會使入射光強度發生衰減，因此通常表現為不透明[]。如圖1所示為光在多晶體陶瓷內部的傳輸示意，入射光穿過透明陶瓷主要路線如下：部分光源透過介質發生折射；部分光源在材料的界面處發生反射；光線在材料內部傳播時，由于孔隙、雜質等與基體的折射率不同，部分光線被吸收，部分光線發生散射。關系式為：

I₀=I_T+R+S+A

式中： I₀ 為人射光的強度， I_T 為透射光的強度， R 為光的反射損失，S為光的散射損失，A為材料對光的本征吸收。

圖1光在多晶陶瓷內部的傳輸路線[12]

因此，控制光線在材料表面和內部的反射、散射和吸收是實現高透過率透明陶瓷的前提

2.2光學性能的影響因素分析

透明陶瓷的透光性能受到材料本征屬性、顯微組織以及制備工藝的綜合影響。獲得高透過率的透明陶瓷需滿足以下條件[13]：致密度高，氣孔率控制在 0.1% 以下；晶界干凈，無雜質和第二相；具有各項同性的晶體結構；晶體對入射光的本征吸收小；表面光潔度高。上述條件可以通過材料粉體選擇、燒結工藝控制以及后處理加工3個方面進行控制。

2.2.1材料及粉體的選擇

透明陶瓷的制備通常選用鎂鋁尖晶石、釔鋁石榴石等立方晶系的材料。立方晶系結構具有各向同性，晶界折射率差異小，光在內部傳輸過程中的散射損耗低，因此更容易獲得高光學質量的透明陶瓷[14]。少數材料如六方晶系的氧化鋁由于結構的各向異性使得雙折射效應顯著，透過率通常較低。

粉體的純度是影響透明陶瓷透過率的重要因素之一。粉體中有雜質存在時會導致燒結過程中的雜質原子在晶界處富集形成光散射中心，部分雜質原子會嵌入晶格內部，引發晶格畸變，從而降低透明陶瓷的光學性能。采用高純度（ 99.9% 原料粉體是實現高性能透明陶瓷制備的基礎工藝要求。

2.2.2 燒結工藝的控制

陶瓷燒結工藝包括燒結氣氛、燒結參數的選擇以及燒結助劑的使用，與樣品相匹配的燒結工藝可以有效促進氣孔的排除以及晶粒尺寸的控制。燒結溫度過高容易導致晶體內部發生晶格畸變，從而增加本征吸收；燒結溫度過低則難以獲得高致密的透明陶瓷，從而導致材料的透過率不理想。燒結過程中通常會加人適量的燒結助劑以降低晶界遷移活化能，從而更容易實現氣孔的排除。

透明陶瓷的光學性能很大程度上受到氣孔散射的影響。在燒結過程中形成的閉氣孔是光傳播的主要散射源，當氣孔尺寸接近或大于光的波長時，散射會更明顯[]。透明陶瓷的氣孔率要求比結構陶瓷更嚴格，通常要將氣孔率控制在 0.1% 以下。

2.2.3 后處理及表面加工

透明陶瓷的燒結通常在真空或惰性氣體下進行，因此容易導致晶格氧缺失以及形成殘余應力，對樣品進行退火處理可以消除在燒結中出現的氧空位和殘余應力[15]。表面處理是制備高光學質量透明陶瓷的重要工序，透明陶瓷的表面粗糙度過高會形成嚴重的漫反射，通過研磨和精密拋光工藝將表面粗糙度控制在 R_alt;10nm ，可有效提升透明陶瓷的透過率。尤其對于高折射率的材料，表面處理更為重要。

3透明陶瓷的防護機理

透明防護材料一般由3個功能層組成，即迎彈層、中間層和背板層，各層之間由膠膜粘接。迎彈層采用玻璃或透明陶瓷，具有一定的硬度，在受到彈丸沖擊時能鈍化彈丸并通過自身的破碎消耗彈丸大量的能量。中間層由多層玻璃構成，起到能量吸收、抑制裂紋擴展和緩解層間熱膨脹失配的作用。背板層采用聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）材料，PC具有極高的斷裂韌性和塑性變形能力，能夠有效約束碎片飛濺。3個功能層之間的性能互補，采用透明陶瓷作為迎彈層時，透明陶瓷的高硬度能夠有效侵蝕和鈍化彈體，極大減輕了中間層和背板層的壓力。中間層繼續吸收子彈穿透迎彈層后帶來的次級沖擊。背板依靠屈服、拉伸等塑性變形過程，將剩余動能吸收，從而阻止彈丸穿透。透明陶瓷作為迎彈層，能量耗散的過程可以分成3個階段：

a.初始沖擊階段。彈丸與透明陶瓷表面高速接觸時，陶瓷的表面產生沖擊波，并在陶瓷內部形成拉應力、壓應力，層間形成剪應力。陶瓷的高硬度特性能夠使彈頭迅速發生鈍化變形，此時陶瓷表面產生微米級裂紋，消耗彈丸初始動能，形成第一道屏障。

b.侵蝕階段。沖擊點附近的陶瓷因應力集中發生破碎，產生錐形和放射狀裂紋碎片。彈丸變鈍后繼續侵蝕碎塊區，促使裂紋擴展，并形成連續碎片層。

c.應力波耗散階段。彈丸的剩余動能使陶瓷內部的張應力超過臨界值，裂紋不斷擴展直至破碎，彈丸貫穿整個陶瓷層，隨后背板通過塑性變形機制完成剩余能量的吸收。

目前，防護材料的性能尚未與單一材料的某一性能相關聯，通常需要在既定標準下對材料進行防護性能測試，表1列出了透明陶瓷材料的參數對防護性能的影響。

透明陶瓷的密度顯著影響光學透過率以及材料力學性能，低密度材料內部存在氣孔，容易導致裂紋擴展，從而降低防護性能。陶瓷材料的硬度越高，彈丸就越容易發生鈍化和破碎，理想裝甲陶瓷的硬度應高于子彈硬度[18]。陶瓷材料的高斷裂韌性可有效抑制裂紋擴展，降低陶瓷在受到沖擊時的碎裂程度，從而提升連續抗沖擊能力。高彈性模量能夠大幅增強材料的剛度及抗變形能力。通常硬度和斷裂韌性相互制約，在保證透明陶瓷硬度的同時提高其斷裂韌性可有效提升透明陶瓷的防護性能。

4透明防護陶瓷的研究現狀

目前，透明陶瓷已經在透明防護領域取得應用，如表2所示為幾種透明防護材料的性能對比。石英玻璃具有硬度低、脆性大等特點，在承受彈丸等高速外力沖擊時容易碎裂，使其難以滿足防護材料的抗多發打擊能力要求。透明陶瓷或藍寶石單晶作為防護材料的迎彈層具有顯著優勢，高硬度能夠有效分散并抵抗高速彈體的沖擊能量，配合多層復合設計還可以實現梯度能量吸收，進一步提升抗多發打擊能力。因此，在達到同樣的防護等級時，透明陶瓷相較于玻璃所需的面密度更低、厚度更薄，從而顯著減輕質量。王思嘉等人[19]采用聚氨酯對藍寶石層、玻璃層、聚碳酸酯層進行粘接復合得到藍寶石復合靶，綜合抗彈能力遠優于防護玻璃。

表2幾種不同防護材料的性能對比[20]

4.1鎂鋁尖晶石透明陶瓷

鎂鋁尖晶石（ MgAl₂（O₄） 透明陶瓷具有高強度、高硬度、耐化學腐蝕和透過波段寬 （0.2～6.0μm） 等優點，在光學器件和透明防護等領域均有廣泛應用。作為防護材料使用時， MgAl₂O₄ 透明陶瓷可有效實現材料的輕量化，是目前制作透明裝甲的理想材料。

MgAl₂O₄ 透明陶瓷的粉體制備有多種方法。通過在特定的高溫下煅燒 MgO、Al₂O₃ 等高純粉末獲得 MgAl₂O₄ 粉體的方法稱為固相反應法，是目前工業生產中最流行的方法。固相反應法生產工藝簡單、成本較低，但是粉體的均勻性有待克服[2]。Soumya[22采用改良的固相反應法，對 MgO 和 Al₂O₃ 前驅體進行活化處理，在低于固相反應的溫度0 1050～1150^°C 下合成了 MgAl₂O₄ 粉體，晶粒尺寸為 28～35nm ，這種方法顯著降低了粉體合成的溫度。通過化學合成法制備的粉末具有良好的均勻性，但是該方法使用的化學藥品和設備的成本較高，生產效率低，僅適用于實驗室研究。

透明陶瓷的燒結方法包括無壓燒結（PS）、熱壓燒結（HP）熱等靜壓燒結（HIP）和放電等離子燒結（SPS）等，其中無壓燒結結合熱等靜壓燒結的工藝在透明陶瓷的制備中應用最為普遍[23]。無壓燒結是最基本的燒結方法，具有材料體系兼容性強、設備簡易、樣品形狀適應性好及工業化生產可行性高等特點。熱等靜壓通過惰性氣體向樣品施加各向同性壓力，實現均勻致密，可降低燒結溫度并提升材料的致密度，尤其適用于復雜形狀部件的燒結致密化，已成為透明陶瓷制備的關鍵技術。Liu等[24在添加了 0.1% CaO的條件下，成功制備了MgAl₂O₄ 透明陶瓷。采用無壓燒結（ ?1525^°C 下保溫^3h 結合熱等靜壓燒結（ 1600^°C 下保溫 ³h 方法獲得的樣品在 1 100nm 處的可見光透過率為86.3% ，接近 MgAl₂O₄ 透明陶瓷的理論透過率。

目前大多數的 MgAl₂O₄ 粉末燒結中會添加少量燒結助劑以促進燒結， MgAl₂O₄ 燒結常見的燒結助劑有LiF、CaO 和 B₂O₃ 等[25]。通過適量添加燒結助劑可抑制晶粒的異常生長并加速粉體顆粒間的晶界遷移，制備出高致密透明陶瓷。但是燒結助劑的添加量超出合理范圍會在晶界處形成不定型相，從而引發光散射，最終難以滿足高端應用的需求。雷牧云等2添加質量分數為 1% 和 1.5% 的LiF作為燒結助劑，燒結后在陶瓷體內檢測出少量燒結助劑殘留，使透明陶瓷性能受到影響。為解決上述問題，研究人員開始嘗試在不添加燒結助劑的條件下，采用高壓輔助和電場輔助燒結技術開展高強度透明陶瓷的研究。

采用無燒結助劑或少燒結助劑的配方體系，可制備出晶界更干凈的透明陶瓷，能夠顯著降低光學損耗，且力學性能更好[27]。傳統的無壓燒結因燒結驅動力不足，在無燒結助劑的條件下難以實現透明陶瓷的高度致密化；而采用高壓放電等離子燒結（HPSPS）在高溫高壓的環境下能夠加速原子遷移與物質擴散，為無燒結助劑的透明陶瓷制備提供了可行方案。Sokol等28采用溶液燃燒法制備出晶粒尺寸為 12nm 的 MgAl₂O₄ 粉體，并采用HPSPS在 1GPa 的壓力、無燒結助劑的條件下制備了晶粒尺寸小于 30nm 的納米 MgAl₂O₄ 透明陶瓷，硬度高達 20GPa 。電場輔助燒結技術可以在比傳統燒結方式更快的速度、更低的溫度下燒結，從而獲得綜合性能更優異的透明陶瓷，但是樣品的形狀和大小受到設備的限制。

目前， MgAl₂O₄ 透明陶瓷在大尺寸樣品制備及應用方面取得了突破性進展。美國ArmorLine、Surmet和德國CeramTec等公司已將 MgAl₂O₄ 透明陶瓷成功應用到車輛防護窗口、整流罩等部位。近年來，國內幾家研究院所在 MgAl₂O₄ 透明陶瓷的大尺寸制備技術上取得了突破性進展。2021年，北京中材人工晶體研究院成功制備出尺寸為? 400mm×10mm 的 MgAl₂O₄ 透明陶瓷，已成功應用于導彈整流罩[23]。上海硅酸鹽研究所制備出尺寸為 430mm×700mm 的大尺寸平板結構 MgAl₂O₄ 透明陶瓷，極大推動了透明陶瓷在防護領域的發展[26]。

4.2氮氧化鋁透明陶瓷

氮氧化鋁（AION）透明陶瓷屬于立方晶體結構，具有光學各向同性，并且在紫外至中紅外波長范圍內（ 0.2～6.0μm） 具有很高的透過率[29]。此外，還具有高硬度、高強度和耐高溫等特性，可應用于裝甲防護及紅外探測領域。

目前AION透明陶瓷的制備有兩種方法[30]。一種是以 Al₂O₃ 和AIN粉體為原料，經過混合均勻后直接進行反應燒結。這種工藝的優點是工藝流程簡單，制備成本相對較低。但由于2種粉體的活性差異不同，在大尺寸樣品的燒結過程中容易出現局部燒結不均勻的現象，從而影響透明陶瓷的光學質量。另一種方法是先通過高溫合成工藝制備AION粉體，對粉體進行球磨處理后再進行燒結。單獨合成的粉體具有高燒結活性，更容易獲得高質量透明陶瓷。在粉體合成工藝中，高溫固相反應法與碳熱還原氮化法的操作簡單，成本較低，已成為工業生產的主流方法。

AION透明陶瓷采用常規的無壓燒結需要在1850^°C 以上的高溫下長時間保溫，該燒結工藝需要消耗大量的能源，對設備的耐高溫性能要求極高，且對燒結設備的損害較大，大幅提升了生產成本。因此，AION透明陶瓷的制備通常采用熱等靜壓燒結輔助消除氣孔。2017年，Jiang等31采用無壓燒結結合熱等靜壓燒結技術制備了高透過率的AION透明陶瓷，在 2μm 處的透過率為 86.1% ，平均晶粒尺寸約為 47.9μm 。2022年，Zhang等通過溶液燃燒法合成了具有高燒結活性的AION粉末，粉體粒徑約為 600nm ，在 2μm 處的透過率達85.9% 。盡管燒結方法在過去幾十年里取得了顯著的進步，但在大尺寸批量制備過程中仍然存在一些困難，例如燒結過程中收縮導致的裂紋、微觀結構不均勻等問題。

燒結助劑的添加是獲得高致密AION透明陶瓷的關鍵，AION透明陶瓷的燒結通常采用 Y₂O₃ 、La₂O₃ 、 CaCO₃ 和 MgO 等作為燒結助劑[33]。其中，Y₂O₃ 是制備AION透明陶瓷中應用最廣泛的燒結助劑，通過在燒結過程中與 Al₂O₃ 反應，在晶界處形成YAG液相，增加了晶界的遷移能力，促進了氣孔的排出。Yuan等[34采用Mo和 Y₂O₃ 共同作為燒結助劑，通過反應燒結成功制備了AION納米透明陶瓷，與單獨使用Mo和 Y₂O₃ 相比，摻雜 Mo 和 Y₂O₃ 促進致密化的效果更好。Shan等[35采用 CaCO₃ 作為燒結助劑，在 1870^°C 的溫度下無壓燒結 2.5h 制備得到在 3.7μm 處透過率為 85% 的透明陶瓷，添加劑質量分數為 0.4% 。

AION透明陶瓷的軍事應用研究備受各國關注，美國在該領域的技術研究尤為突出。2019年，Surmet公司通過無壓燒結和熱等靜壓燒結結合建立起了規?；圃祗w系，已經能夠生產尺寸為 1168mm×610mm 的AION透明陶瓷。利用AION透明陶瓷制備的透明防護裝甲在同等的防護效果下，可將透明裝甲厚度減薄至傳統透明防護材料的 1/3^[36] 。國內的AION透明陶瓷的研究尚處于實驗室階段，主要聚焦于小尺寸樣品的制備，尚未實現透明防護領域的應用。

4.3藍寶石單晶

藍寶石單晶是目前技術成熟度最高的透明防護材料，具有高強度、高硬度、耐高溫等優良特性，并且在紫外至紅外全波段范圍均有較高光學透過率，已成為高端紅外光學窗口和透明防護裝甲領域的核心材料[37]。目前藍寶石單晶已經實現了產業化，但是在大尺寸部件應用中仍面臨瓶頸：采用直拉法和單晶泡生法制備得到的藍寶石單晶需要大量的后處理工序以滿足光學需求，導致原材料利用率低；新型導模生長技術雖能夠直接制備藍寶石單晶平板，但制備成本高昂、規?；a良品率低等問題制約了藍寶石單晶在大口徑光學器件領域的應用[38]

受晶體尺寸大小以及制造成本的限制，藍寶石單晶目前主要應用于面罩防護、整流罩等小尺寸部件。法國圣戈班公司利用邊緣生長技術成功降低了藍寶石單晶的生產成本，制備出大于15英寸 381mm ）的透明藍寶石[39]。目前，圣戈班公司采用導模法批量生產了大尺寸的藍寶石單晶，并成功應用于武裝直升機等裝備[40]。2022年，我國人工晶體院制備出尺寸為 1 000mm×370mm 的藍寶石單晶，推動了藍寶石單晶在透明防護領域的應用[41]

4.4釔鋁石榴石透明陶瓷

釔鋁石榴石（ Y₃Al₅O₁₂ ，YAG）透明陶瓷具備卓越的光學、力學及熱學等綜合性能，目前廣泛于應用功能材料與結構材料領域。由于YAG透明陶瓷具有生產成本低以及可制備大尺寸復雜形狀產品等特點，在透明防護領域也有廣闊的發展前景[42]。王士維團隊[43]聯合江蘇鐵錨科技股份有限公司采用國產的 Al₂O₃ 粉體和 Y₂O₃ 粉體為起始原料，通過真空反應燒結法成功制備出尺寸為1 040mm×810mm 的YAG透明陶瓷，為世界現有報道的最大尺寸，為后續透明防護裝備的工程化應用奠定了基礎。

5 挑戰與前景

盡管透明陶瓷在透明防護領域已取得階段性突破，但當前制備的透明陶瓷的尺寸難以滿足實際使用需求。要獲得大尺寸的透明陶瓷，需要充足、穩定的粉體，因此，解決粉體工業化問題是制備更大尺寸陶瓷的必要條件。但是國內粉體制備技術還不成熟，國內的先進設備數量較少，不能滿足實際需要，造成粉體質量不穩定、工業化水平低等問題。

受限于目前的技術，透明陶瓷通常需要借助熱等靜壓設備，以進一步提高致密度和綜合性能。國產熱等靜壓設備中，能夠達到尺寸和功能要求的較少，同時高溫高壓的工藝要求導致生產成本較高，使得透明陶瓷產業化受限。其次，部分透明防護窗口為非平面構型，在高溫燒結階段，異形大尺寸透明陶瓷容易因溫度分布不均引發內應力，造成局部收縮不一致，從而影響材料的光學和力學性能。最后，在工程應用環節，曲面透明陶瓷與玻璃等基材的形狀匹配、裝配等系列問題還有待解決。

6結束語

隨著現代裝備武器在輕量化和性能提升方面的需求不斷增加，透明陶瓷應用于透明防護材料的優勢愈加凸顯?，F針對透明陶瓷在透明防護領域的研究工作進行總結，得到如下結論：

a.獲得高透過率的透明陶瓷的前提是控制光的反射、散射和吸收。陶瓷內部的氣孔、第二相和晶界容易導致入射陶瓷的光發生散射和折射損失，內部介質對光的吸收也會使入射光強度發生衰減，從而降低透過率。

b.透明陶瓷具有極高的硬度和強度，在彈頭沖擊過程中可有效鈍化和破碎彈丸吸收大量能量，從而顯著削弱彈頭的侵徹能力，實現防護效果。

c.在4種透明防護材料中，藍寶石單晶制備技術最為成熟，已成功應用于透明防護領域，但工藝穩定性差、生產成本高，并且藍寶石的制備受晶體生長方式限制，難以制備大尺寸樣品。AION透明陶瓷的防護性能最好，但由于燒結溫度高，現有生產設備難以支撐大尺寸樣品的制備。 MgAl₂O₄ 透明陶瓷在性能、成本和工藝之間具有綜合優勢，具有生產大尺寸樣品的可能。YAG透明陶瓷的制備成本及工藝復雜性相對較低，在實際應用方面發展前景可期。

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